Multifunctional Polymeric Micelles for combination therapy of colorectal cancer

Abstract

Colorectal cancer (CRC), the most common malignant cancer in the gastrointestinal tract, is known for its significant worldwide fatality rate. Portugal holds the highest mortality rate for this form of cancer, accounting for 16% of all cancer-linked deaths. This disease is defined by a malignant neoplasm that is developed in the colon and rectum area of the large intestine. Currently, the available treatments for CRC are combined therapies such as chemotherapy, surgery, and radiotherapy. They are capable of inducing the death of cancer cells, preventing their multiplication and, ultimately, interrupt the tumour growth. However, the high drug dosages required to achieve the intended outcomes provoke acute adverse effects. Consequently, new efficient therapeutic delivery using nanotechnology appeared to overcome these limitations. In this regard, polymer-based systems composed by amphiphilic copolymers allow site-specific targeting and improve the solubility and stability of hydrophobic drugs.In this study, the main objective was focused on the development of drug-loaded multifunctional micelles based on Pluronics® and in the evaluation of their potential for co-delivery and cancer therapy of chemotherapeutic SN-38 in combination with lonidamine (LND), a glycolytic inhibitor. In order to achieve this goal, mixed micelles composed of Pluronics® P123 and F127 were prepared by thin-film hydration method with different SN-38 and LND ratios (1:0; 0.8:0.2; 0.5:0.5; 0.2:0.8; 0:1 mg/mL, respectively). Critical micelle concentration (CMC) of the empty micelles was determined using the pyrene method. The particle size of polymeric micelles, containing the encapsulated and non-encapsulated drugs, was determined by DLS. The amount of encapsulated drug and drug release profile were measured by HPLC. In addition, the cytotoxic effects of the optimized nanometric system were evaluated in a human colon adenocarcinoma cell line – LoVo.Results showed stable polymeric micelles with a CMC value of 0.019 mg/mL. The average size of the optimized drug-loaded micelle (SN-38:LND, 0.5:0.5 mg/mL) was 19 nm with an encapsulation efficiency (EE) and loading capacity (LC) of 110% and 2% for LND and SN-38, respectively. The release of LND from the micellar system displayed a controlled release profile, with 55% of LND released in 30h, in contrast to the free drug, which released 97% over that period. Furthermore, preliminary tests were conducted on LoVo cell line, and it was determined that at 20nM SN38 (IC50), nanoSN-38 and free SN-38 exhibit comparable impacts on cell viability. The concentration of encapsulated LND in the formulation optimized for maximum EE and DL of both drugs is not sufficient to contribute to in vitro efficiency under given experimental conditions.

Cancro colorretal (CRC), o cancro maligno mais comum no trato gastrointestinal, é conhecido pela sua significante taxa de mortalidade em todo o mundo. Portugal possui o índice de mortalidade mais elevado para este tipo de cancro, sendo 16% do total das mortes relacionadas com este tipo de cancro. Esta doença é definida por uma neoplasia maligna que é desenvolvida na área do colon e reto do intestino grosso. Atualmente, os tratamentos disponíveis para o CRC são as terapias combinadas, como a quimioterapia, cirurgia e radioterapia. Estas são capazes de induzir a morte das células cancerígenas, prevenindo a sua multiplicação e, sobretudo, impedindo o crescimento do tumor. No entanto, as altas dosagens de fármacos necessárias para alcançar os resultados requeridos provocam efeitos adversos severos. Consequentemente, novas terapias eficientes de transporte através do uso da nanotecnologia foram desenvolvidas para ultrapassar estas limitações. A este respeito, sistemas baseados em polímeros compostos por copolímeros anfifílicos permitem um direcionamento específico ao alvo e melhoram a solubilidade e estabilidade de fármacos hidrofóbicos.Neste estudo, o objetivo principal focou-se no desenvolvimento de micelas multifuncionais carregadas baseadas em Pluronics® e na avaliação do seu potencial para a co-entrega na terapia do cancro do quimioterápico SN-38 em combinação com um inibidor glicolítico, a lonidamina (LND). De forma a alcançar este objetivo, foram preparadas micelas a partir de Pluronics® P123 e F127 através do método de hidratação de filme fino com diferentes concentrações de SN-38 e LND (1:0; 0.8:0.2; 0.5:0.5; 0.2:0.8; 0:1 mg/mL, respetivamente). A concentração micelar crítica das micelas vazias foi determinada utilizando o método de pireno. O tamanho das micelas poliméricas, que contém fármacos encapsulados e não encapsulados, foi determinado por DLS. A quantidade de fármaco encapsulado e o perfil de libertação de fármaco foram quantificados por HPLC. Adicionalmente, o efeito citotóxico do sistema nanométrico otimizado foi avaliado numa linha celular do adenocarcinoma do colon humano – LoVo.Os resultados mostraram micelas poliméricas estáveis com um valor de CMC de 0.019 mg/mL. O tamanho médio das micelas otimizadas contendo os fármacos (SN-38:LND, 0.5:0.5 mg/mL) foi 19 nm com um eficiência de encapsulação (EE) e capacidade de carga (LC) de 110% e 2%, respetivamente, para LND e SN-38. A libertação de LND do sistema micelar mostrou um perfil de libertação controlado, a libertar 55% de LND em 30h, contrariamente ao que acontece com o fármaco livre, que liberta 97% nesse período. Para além disso, foram conduzidos testes preliminares em linhas celulares LoVo, e determinou-se que SN-38 a uma concentração de 20 nM (IC50), nanoSN-38 e SN-38 livre exibiram efeitos comparáveis na viabilidade celular. A concentração de LND encapsulada na formulação otimizada para um máximo de EE e DL para ambos os fármacos não é suficiente para contribuir para a eficiência in vitro sobre as condições experimentais.